催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (8): 1297-1326.DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63736-6

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电催化剂纳米碳基载体的研究进展

陈军伟, 欧祖翘, 陈海鑫, 宋树芹, 王昆, 王毅*()   

  1. 中山大学化学工程与技术学院, 材料科学与工程学院, 广东省低碳化学与过程节能重点实验室, 广东 广州 510275
  • 收稿日期:2020-10-05 接受日期:2020-11-29 出版日期:2021-08-18 发布日期:2020-12-10
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21978331);国家自然科学基金(21975292);国家自然科学基金(21905311);广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515010343);“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才(2016TQ03N322);广州市科技计划项目(201707010079);国家重点研究发展计划(2016YFB0101200);中央高校基本科研业务费专项资金(19lgpy136);中央高校基本科研业务费专项资金(19lgpy116);博士后研究基金(2019M653142)

Recent developments of nanocarbon based supports for PEMFCs electrocatalysts

Junwei Chen, Zuqiao Ou, Haixin Chen, Shuqin Song, Kun Wang, Yi Wang*()   

  1. The Key Laboratory of Low-carbon Chemistry & Energy Conservation of Guangdong Province, School of Chemical Engineering and Technology, School of Materials Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
  • Received:2020-10-05 Accepted:2020-11-29 Online:2021-08-18 Published:2020-12-10
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21978331);This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21975292);This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21905311);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020A1515010343);Tip-top Scientific and Technical Innovative Youth Talents of Guangdong Special Support Program(2016TQ03N322);Guangzhou Science and Technology Project(201707010079);the National Key Research and Development Program of China(2016YFB0101200);the fundamental Research Funds for Central Universities(19lgpy136);the fundamental Research Funds for Central Universities(19lgpy116);the China Postdoctoral Science Foundation(2019M653142)

摘要:

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有工作温度低、结构紧凑、无腐蚀、启动快和灵活性好等优点, 受到人们广泛关注. 但其工作时动力学迟缓且易受CO毒化影响, 往往需要负载Pt等贵金属催化剂, 导致PEMFCs的成本高昂, 阻碍了其商业化应用. 为提高Pt贵金属的利用率, 通常将Pt负载在载体材料上来提高Pt的分散性以减少Pt颗粒集聚, 因此, 合适的载体材料对于降低PEMFCs成本具有极大意义. 纳米碳材料由于具有高稳定性、可控的孔结构、可变的物理形态、可修饰的表面化学以及低成本等特点, 是一种理想的催化剂载体材料, 已被广泛应用于PEMFCs电催化剂中. 本文综述了PEMFCs电催化剂的纳米碳基载体的最新研究进展, 重点讨论了纳米碳的纳米结构和表面物理化学性质对电催化剂性能的影响, 主要从孔结构、杂原子掺杂以及功能性碳基载体方面对其进行概述. 在孔结构方面, 纳米碳载体的孔形貌和孔径大小能够显著地影响PEMFCs电催化剂的催化性能. 相比于无序孔, 有序孔能够减小反应物分子的传质阻力, 可使反应物分子更好地与载体孔道内的催化活性位点结合, 增加Pt催化剂的可及性, 从而提高反应活性. 合适的孔径不仅能够使纳米碳载体具有足够的传质通道, 还能提供充足的用于电催化反应的高比表面积, 从而增加电催化剂的催化性能. 在杂原子掺杂方面, 向纳米碳载体中掺入氮、硫和磷等杂原子能够稳定碳载体结构, 并增加载体表面与金属纳米粒子之间的结合位点, 提高金属纳米颗粒的分散性, 通过金属-载体之间的相互作用和协同作用提升电催化剂性能. 在功能性碳载体方面, 通过对纳米碳载体进行有针对性地改性得到具有特定功能的碳化物载体, 改性后的功能性碳化物载体能够通过加速CO反应中间体氧化以增加电催化剂的抗CO毒化能力, 并能够通过降低燃料电池腐蚀电流的方式提升电催化剂的耐久性.
本文讨论了纳米碳载体的最新进展, 指出PEMFC电催化剂载体的未来发展方向, 为PEMFC催化剂的未来研究和设计提供参考意见, 为推动PEMFC的市场化提供帮助.

关键词: 纳米碳载体, 质子交换膜燃料电池, 电催化剂, 氧还原反应, 甲醇氧化反应

Abstract:

Nanocarbons, widely and commonly used as supports for supported Pt-based electrocatalysts in PEMFCs, play a significant role in Pt dispersion and accessibility, further determining their corresponding electrocatalytic performance. This paper provides an overview of the nanoarchitectures and surface physicochemical properties of nanocarbons affecting the electrocatalyst performance, with an emphasis on both physical characteristics, including pore structure, and chemical properties, including heteroatom doping and functional carbon-based supports. This review discusses the recent progress in nanocarbon supports, guides the future development direction of PEMFC supports, and provides our own viewpoints for the future research and design of PEMFCs catalysts, advancing the commercialization of PEMFCs.

Key words: Nanocarbon support, Proton exchange membrane fuel cell, Electrocatalyst, Oxygen reduction reaction, Methanol oxidation reaction